Шаровая молния — феномен природного электричества, молния, имеющая шарообразную форму и непредсказуемую траекторию. По сей день феномен остаётся малоизученным и представляет почву для спекуляций. На данный момент существуют около 200 теорий происхождения.
Джон Джилман (John Gilman) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.

Шаровая молния (ШМ) - это довольно редкое и весьма загадочное природное явление, сравнительно медленно движущийся в земной атмосфере световой шар-"файербол" (иногда объект имеет грушевидную форму). Этот шар испускает очень небольшое количество тепла, но при этом проплавляет дырки в оконных стеклах; перемещается, подобно газовому облаку, а отдельные шарики могут сливаться друг с другом, как капельки жидкости или ртути. Чаще всего шаровую молнию наблюдают во время грозы, однако это не обязательно. Причины появления и собственно физика шаровых молний до сих пор остаются загадкой, несмотря на то, что природу феномена ученые пытаются постичь уже на протяжении нескольких столетий (причем нередко такие штудии заканчивались трагедиями - например, известно, что ученого Георга Рихмана (1711-1753), совместно с нашим знаменитым Михайло Ломоносовым изучавшим атмосферное электричество в Петербурге, убила сорвавшаяся с громоотвода шаровая молния). Впрочем, многие не верят в само существование шаровых молний или, по крайней мере, некоторых типов ШМ. Весьма интригующими и необъяснимыми считаются сообщения о появлении шаровых молний в самолетах.

Чаще всего физики сходятся на том, что шаровая молния - это плазменный шар, причем некоторые уточняют, что он весьма похож на те ярко светящиеся плазменные диски, которые формируются при мощных взрывах. Этот "шарик" может достигать 30 см в поперечнике (обычно 10-20 см). Множество теорий шаровой молнии были выдвинуты за последние годы, но ни одна из них, к сожалению, не может описать все наблюдаемые характеристики феномена. "Хорошая теория должна объяснить как генерацию шаровых молний, так и их стабильное свечение, при котором в течение одной секунды выделяется мощность на уровне 60 ватт, а также характерный цвет (обычно красный или желтый) - и множество других факторов", - говорит Мартин Уман (Martin Uman) из Университета Флориды. Ни одна из существующих теорий - включая теорию Джилмана - пока не может этого сделать, считает Уман.

Джилман предположил, что плазменный шар имеет очень низкую плотность - сопоставимую с плотностью воздуха - и составлен из так называемых ридберговских атомов. Имеются в виду атомы, находящиеся в особом метастабильном состоянии, когда валентный электрон был сильно возбужден и оказался на орбите с высоким квантовым числом. Надо заметить, что предположения о том, что ридберговское вещество может помочь объяснить природу ШМ, возникали и раньше. Джилман вычислил, что радиус такой электронной оболочки должен быть небывало большим - порядка нескольких сантиметров, и атом таким образом будет иметь очень большую поляризуемость. Силы притяжения Ван-дер-Ваальса, которые увеличиваются при увеличении поляризуемости атомов, могут тогда быть ответственными за когезию между атомами. Значение для энергии связи между атомами в таком случае получится порядка 1/100 связи атомов в металлах.

Джон Абрахамсон (John Abrahamson), который работает над проблемами шаровых молний в Кентерберийском университете (University of Canterbury) в Новой Зеландии, говорит, что модель Джилмана является "образной", но добавляет при этом, что "она не кажется осуществимой по нескольким причинам". Например, модель Ридберга требует, чтобы каждый электрон был отделен от его ядра расстоянием в несколько сантиметров, а это слишком огромное расстояние для реальных атомных орбиталей. У Абрахамсона есть своя теория. В 2002 году Абрахамсон и его сотрудник, Джеймс Диннисс (James Dinniss), предположили, что шаровая молния возникает, когда частицы кремния окисляются в атмосфере после удара молнии.

Многочисленные наблюдения за поведением шаровых молний позволили определить основные физические свойства шаровых молний (ШМ):
Шаровая или грушевидная форма;
Феноменальность появления. Может возникать неожиданно в самых разнообразных условиях. Зафиксирован случай появления даже из гвоздя в стене;
Большой диапазон зафиксированных размеров, от 1см до 27 м в диаметре;
Самосвечение мощностью 100-200 Ватт, видимое даже в дневное время;
Холодная поверхность, то есть ШМ не излучает тепло;
Время существования от 1 секунды до 2 минут;
Прохождение сквозь вещество, например, стекло;
Сильное электромагнитное излучение в необычайно широком диапазоне длин волн от долей микрометра до метров;
Наличие электрического и магнитного полей;
Способность к левитации - поднимать и передвигать предметы;
Способность деформироваться и проникать через малые отверстия;
Непредсказуемость движения, может двигаться даже против ветра;
Свободное парение на любой высоте;
Необычайно высокая внутренняя энергия;
Способность двигаться вдоль поверхности металлических предметов;
Способность прилипать к металлическим предметам;
Вращение воздуха и пыли внутри ШМ;
Способность к делению;
Способность взрываться самопроизвольно или при прикосновении к предметам. Бывают случаи, когда после взрыва ШМ не исчезает;
При взрывах повреждаются и выгорают большей частью металлические детали предметов, диэлектрические же части остаются целыми.

Появление

Шаровая молния обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).

Поведение

Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй, довольно хаотично. Имеет тенденцию «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как, по одной из теорий, шаровая молния свободно перемещается по эквипотенциальным поверхностям.

Исчезновение

Шаровая молния в среднем живёт от нескольких секунд до минуты, редко 2-5 минут, и крайне редко до нескольких десятков минут (имеются свидетельства про наблюдение в течение 15-20 минут), после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.

Размер и форма

Размер (диаметр) шаровых молний бывает от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных шаровых молний.

Свечение и цвет

Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения. Установлено, что шаровая молния может быть не только в виде светящегося, яркого образования. Есть и невидимые, и черные шаровые молнии. Свидетели заявляют, что черные шаровые молнии как бы состоят из загадочных нитей, сплетенных в клубок.

Попытки лабораторного воспроизведения

Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных условиях. Однако есть заявление о получении: В. Д. Трунов в соавторстве с химиком-аналитиком Р. И. Труновой на основе разработанной ими теории создали установку, на которой якобы была получена шаровая молния. При этом были зарегистрированы основные исходные данные, которые позволяют не только понять суть образования шаровой молнии, но и получать ее искусственно от спецэнергоисточника. Получив шаровую молнию, Трунов доказал полное соответствие экспериментальных данных с его же теоретическими обоснованиями, при этом Трунов впервые в науке ввел понятие «шаромолниевое состояние энергии». Исследования Трунова завоевали несколько патентов и грамот на выставках (по его заявлению), однако не получили признания академической наукой.

Поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.

Первыми такими попытками можно считать опыты Теслы в конце XIX века. В своей краткой заметке он сообщает, что, при определённых условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2-6 см. Однако Тесла не сообщал подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.

Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 году советским электротехником Бабатом: ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением.

Затем были опыты Капицы: он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения.

С тех пор ситуация принципиально не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.

Например, в недавней работе описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию.

Природа шаровой молнии и попытки теоретического объяснения

Свойства шаровой молнии

Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:
Во-первых, шаровая молния связана с электричеством, то есть с электрическими явлениями в газах. В процессе её зарождения или жизни крайне важно присутствие сильного электрического поля, создающего газовый разряд.
Во-вторых, очевидно, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур — именно поэтому она и светится. Скорее всего, эта область состоит из плазмы — ведь при температурах в несколько тысяч Кельвинов газ переходит в состояние плазмы.
Наконец, ясно, что шаровая молния — это не устойчивая, а метастабильная система. Это, по-видимому, распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.

Вопросы и загадки

Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:
Почему шаровая молния столь устойчива? Ведь если это газообразное образование, то при таких температурах этот газ или плазма тут же перемешается с окружающим воздухом. Что препятствует такому перемешиванию?
Откуда берётся такая устойчивость формы? Это должно означать наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы. Неужели такое возможно на границе раздела двух газов?
Почему шаровая молния не всплывает? Ведь облако горячего газа должно всплывать под действием силы Архимеда.
Как шаровая молния может существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри неё плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? Может быть, есть внешняя подпитка энергией, невидимая глазу?
Откуда в шаровой молнии такие запасы энергии (а ведь по оценкам, типичная шаровая молния содержит десятки и сотни килоджоулей)?
Как шаровая молния может обходить препятствия, протекать сквозь небольшие отверстия? Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам. Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?

Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии

Все гипотезы о природе шаровой молнии можно разделить на два класса по признаку места энергетического источника, поддерживающего существование шаровой молнии. Это — гипотезы, предполагающие внешний источник, и гипотезы, считающие, что источник находится внутри шаровой молнии.

Даже если считать только предположения, опубликованные в серьёзных научных журналах, то количество теоретических моделей, которые с разной степенью успеха описывают явление и отвечают на эти вопросы, составляет десятки. Перечислим только некоторые из них.
Например, гипотеза Капицы: между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Принципиально другую гипотезу предлагает Смирнов, занимающийся проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.
Ещё одна теория объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.
Следующаяя теория предполагает, что шаровая молния - это тяжелые положительные и отрицательные ионы воздуха, образовавшиеся при ударе обычной молнии, рекомбинации которых мешает их гидролиз. Под действием закона Кулона они собираются в шар и могут довольно долго сосуществовать. До тех пор пока не разрушится их водяная "шуба". Это объясняет ещё и тот факт, как различный цвет шаровой молнии и его прямая зависимость от времени существования самой шаровой молнии - скорости разрушения водяных "шуб" и начало процесса лавинной рекомбинации.
Интересную гипотезу предлагает профессор Самарского аэрокосмического университета. По его мнению, шаровая молния представляет собой сгусток низкотемпературной радиоактивной плазмы, возникающий в процессе ?-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние. Другими словами, первопричины возникновения ШМ лежат вне физики электрического разряда в газах.
Другая теория предполагает, что шаровая молния — это ридберговское вещество. Группа L.Holmlid. занимается приготовлением ридберговского вещества в лабораторных условиях пока отнюдь не с целью производства шаровых молний, а в основном с целью получения мощных электронных и ионных потоков, используя то, что работа выхода ридберговского вещества очень мала, несколько десятых электронвольта. Предположение, что шаровая молния является ридберговским веществом, описывает гораздо больше ее наблюдаемых свойств, от способности возникать при разных условиях, состоять из разных атомов, и до способности проходить сквозь стены и восстанавливать шарообразную форму. Конденсатом ридберговского вещества пытаются также объяснить плазмоиды, получаемые в жидком азоте
Неожиданный подход к объяснению природы шаровой молнии предлагается в течение последних шести лет в публикациях, согласно которым шаровая молния является некогерентным оптическим пространственным солитоном, кривизна которого отлична от нуля. В переводе на более доступный язык шаровая молния представляет собой тонкий слой сильно сжатого воздуха, в котором по всевозможным направлениям циркулирует обычный интенсивный белый свет. Этот свет за счет создаваемого им электрострикционного давления обеспечивает сжатие воздуха. В свою очередь, сжатый воздух выступает в качестве световода, который препятствует излучению света в свободное пространство. Можно сказать, что шаровая молния — это самоограниченный интенсивный свет или световой пузырь, возникший из обычной линейной молнии. Как и обычный световой луч, световой пузырь в земной атмосфере смещается в направлении градиента показателя преломления воздуха, в котором он находится. Указанный подход позволяет дать ответы на некоторые пункты вышеприведенного раздела Вопросы и Загадки.
Что касается попыток лабораторного воспроизведения шаровых молний, то Науер в 1953 и 1956 годах сообщал о получении светящихся объектов, наблюдательные свойства которых полностью совпадают со свойствами световых пузырей. Свойства световых пузырей можно получить теоретически на основе общепринятых физических законов. Наблюдаемые Науером объекты не подвержены действию электрических и магнитных полей, излучают свет со своей поверхности, они могут обходить препятствия и сохраняют целостность после проникновения через небольшие отверстия. Науер предполагал, что природа этих объектов никак не связана с электричеством. Относительно малое время жизни таких объектов (несколько секунд) объясняется малой запасенной энергией из-за слабой мощности используемого электрического разряда. При увеличении запасенной энергии увеличивается степень сжатия воздуха в оболочке светового пузыря, что ведет к улучшению способности световода ограничивать циркулирующий в нем свет и к соответствующему увеличению времени жизни светового пузыря. Работы Науера представляют собой уникальный случай, когда экспериментальное подтверждение теории появилось на 50 лет раньше самой теории.
В работе разработана модель шаровой молнии, основанная на квантовых осцилляциях электронного газа в плазме. Были получены решения уравнения Шредингера, которые описывают устойчивые, сферически симметричные осцилляции электронов. Таким образом, в рамках предложенного описания данного природного явления сферическая форма молнии получается автоматически. Одной из характерных особенностей этой модели является тот факт, что в центральной области, где наблюдаются наиболее интенсивные осцилляции электронов, предсказывается повышение статической плотности ионного газа. Авторами данной работы высказывается предположение, что предложенный механизм способен инициировать микродозовую термоядерную реакцию, которая может служить внутренним источником энергии шаровой молнии. Заметим, что наряду с повышением плотности предсказывается повышение температуры вещества в центральной области молнии. Этим можно объяснить возникновение микроскопических отверстий с оплавленными краями при прохождении шаровой молнии сквозь стекло. Также в данном исследовании предпринята попытка объяснить и ряд других наблюдаемых свойств этого загадочного природного явления.
В 1990-1991 г. было экспериментально открыто явление аномально высокой (на 2 порядка выше характерной энергии вторично-эмиссионных электронов) положительной зарядки (АВЗ) макрочастиц конденсированной дисперсной фазы под действием интенсивного электронного пучка и построено теоретическое объяснение этого явления. На основе явления АВЗ был предсказан самостоятельный вторично-эмиссионный разряд в облаке гетерогенной плазмы (СВЭР) и построена соответствующая новая модель шаровой молнии.
. Эти модели шаровой молнии (гетерогенная плазма в условиях АВЗ и СВЭР) при плотности потока энергии первичного электронного пучка, разряда или волны ионизации порядка 1 ГВт/кв.м при концентрации электронов первичного пучка порядка 10 млрд/куб.см вследствие АВЗ СВЭР радиус Дебая определяется концентрацией, зарядом и средней скоростью движения аэрозоля, а не ионов и не электронов, необычно мал, диффузия и рекомбинация необычно малы, коэффициент поверхностного натяжения 0,001..10 Дж/кв.м., ШМ представляет собой тёплый долго не рекомбинирующий гетерогенный плазменный шар, произведение времени жизни на объёмную плотность энергии 0,1..1000 кДж*с/куб.см. Это соответствует наблюдаемым в природе свойствам шаровой молнии (в среднем поверхностное натяжение порядка 0,01 , объёмная плотность энергии на время жизни порядка 10 кДж*с).
Австрийские ученые из Университета Инсбрука Йозеф Пеер и Александр Кендль в своей работе, опубликованной в научном журнале «Физикс Леттерс А», описали воздействие магнитных полей, возникающих при разряде молнии, на головной мозг человека. По их словам, в зрительных центрах коры головного мозга возникают так называемые фосфены — зрительные образы, которые появляются у человека при воздействии на мозг или зрительный нерв сильных электромагнитных полей.Ученые сравнивают такое воздействие с транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС), когда на кору головного мозга направляются магнитные импульсы, провоцируя появление фосфенов. ТМС часто применяется в качестве диагностической процедуры в амбулаторных условиях.Таким образом, считают физики, когда человеку кажется, что перед ним шаровая молния, на самом деле это — фосфены. «Когда кто-то находится в радиусе нескольких сотен метров от удара молнии, в глазах на несколько секунд может возникнуть белое пятно, — объясняет Кендль. — Это происходит под воздействием на кору головного мозга электромагнитного импульса».